Пресс-центр

Сотрудники НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ изучают распределение материи в атомных ядрах

Сотрудники Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ совместно с коллегами из Дармштадта и Милана изучили распределение материи внутри ядер беррилия-7 и бора-8. Эти ядра содержат малое число нейтронов и поэтому называются протон-избыточными. Для ядра ⁸B был обнаружен так называемый эффект протонного гало и измерен его размер. Исследования велись методом обратного рассеяния на активной водородной мишени.

Для того чтобы узнать структуру того или иного объекта микромира, физики-экспериментаторы стараются «прощупать» её, используя частицы-пробники. Мы писали о том, что для исследования внутренней структуры протона используют электроны, а также другие частицы. Сам протон также может выступать частицей-пробником, когда речь идет об исследовании протонов и атомных ядер. Более того, для некоторого класса исследований выбор протонов предпочтителен, так как это сильновзаимодействующие частицы, а значит они чувствительны к распределению в ядре не только протонов, но и нейтронов. Стабильные ядра уже хорошо изучены, а вот ядра радиоактивные все еще представляют обширное поле для исследований. В стабильных ядрах лёгких элементов число протонов примерно равно числу нейтронов, но на ускорителях и реакторах можно получать протон-избыточные и нейтрон-избыточные ядра, в которых часть нейтронов удалена, или наоборот, добавлены дополнительные нейтроны. Такие ядра нестабильны и распадаются по закону радиоактивного распада, но все же среднее время их жизни позволяет исследовать такие их свойства, как размеры и распределение нуклонов.

Период полураспада протон-избыточных ядер ⁸B, в состав которых входит пять протонов и три нейтрона, составляет меньше секунды и поэтому исследовать их необходимо сразу же после получения. Приготовить препарат для облучения пучком протонов невозможно, но, оказывается, возможно облучить сами протоны пучком ядер ⁸B и характеристики такого рассеяния расскажут о распределении вещества в радиоактивном ядре! Для экспериментов подобного рода чрезвычайно эффективен так называемый метод активной мишени, развитый в Отделении физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ. В этом методе камера, наполненная водородом, выполняет сразу две роли: роль протонной мишени и роль детектора протонов отдачи. Эксперимент проводился в научном центре GSI (г. Дармштадт, Германия). Его схема приведена на рисунке 1. Пучок ядер неона-22, полученный на ускорителе UNILAC-SIS, направлялся на мишень из обычного бериллия. На ней и образовывались радиоактивные ядра ⁷Be и ⁸B. Поток образовавшихся ядер подавался на специальную разделительную магнитную систему Fragment Separator, на выходе из которой формировались пучки заданной энергии (примерно 700 МэВ в расчете на один нуклон ядра). Далее пучок радиоактивных ядер направлялся на вход ионизационной камеры ИКАР, разработанной в НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ. Камера была наполнена водородом под давлением в 10 атмосфер. Если внутри камеры происходил акт упругого рассеяния ядра на протоне, то протон отдачи вылетал почти перпендикулярно оси пучка, ионизуя ядра водорода на своем пути. На электроды внутри ИКАРа подавалось высокое напряжение, которое растаскивало образовавшиеся электроны и ионы. По сигналу на электродах определялась энергия протона отдачи (T_R) и угол его вылета (Θ_R). Влетающие и вылетающие ядра ⁷Be и ⁸B регистрировались системой сцинтилляционных счётчиков и многопроволочных пропорциональных камер (см. рисунок 1). При помощи этой системы определялся угол рассеяния ядра (Θ_S). Для того чтобы выбирать только те события, которые пролетают через центр ИКАРа, использовалась схема антисовпадений – не должно было быть сигнала в специальном счетчике с отверстием посередине (VETO). Выделение сразу нескольких кинематических переменных (T_R, Θ_R, Θ_S) позволяет значительно подавить фоновую составляющую и измерить вероятность рассеяния (сечение, обозначаемое dσ/dt) как функцию квадрата импульса, переданного протону (t). Это распределение оказывается чувствительным к распределению вещества внутри атомного ядра. Получив их, экспериментаторы рассчитали размеры (среднеквадратичные радиусы) исследуемых ядер, которые составили 2,42(4) фм для ⁷Be и 2,58(6) фм для ⁸B.

На ядрах ⁸B обнаружено, что в области малых t (экспоненциальная параметризация) сечение определяется электромагнитным взаимодействием между протоном и налетающим ионом (см. рисунок 2). В области |t| > 0.01 (GeV/c)² начинает доминировать сильное взаимодействие. Формы стабильных ядер похожи: начиная с какого-то расстояния плотность ядерной материи начинает быстро убывать, что определяет t-зависимость сечения, которое убывает как экспоненциальная функция. Для протон-избыточных ядер зависимость может быть другой, так как дополнительные протоны формируют так называемое протонное гало (для нейтрон избыточных ядер характерно нейтронное гало) – некоторые протоны проводят много времени вдалеке от сердцевины (англ. core – сердцевина, кор) ядра.. Зная сечения, можно определить геометрические размеры ядерного гало и провести модельнозависимые расчеты профиля распределения ядерного вещества (см. рисунок 3). Для бора-8 оно составило 4.24(25) фм, что в 1.88 раза превышает размеры ядерного кора. Статья, посвященная исследованиям, направлена (и принята к печати) в реферируемый научный журнал. Подробнее об этой работе можно узнать из препринта статьи.

Метод активной мишени является визитной карточкой Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ. С его помощью физики ОФВЭ не только изучают распределение материи в атомных ядрах, но и планируют измерения распределения материи в протоне и определение зарядового радиуса этой частицы.